Определение диаметров водопроводных линий. Выбор типа труб. Определение потерь напора. Основные виды транспортирования воды

Определение диаметров водопроводных линий В качестве водопроводных линий, имеющих на всем своем протяжении определенный заданный расход, могут рассматриваться как водоводы, так и (условно) отдельные участки водопроводных сетей.

Рассмотрим случай подачи воды в количестве Q м3/с насосами в водонапорную башню по водоводу длиной /. Геометрическая высота подъема воды Но (II 1.5).

Из приведенной выше формулы видно, что с увеличением v диаметр водовода уменьшается, что обусловливает снижение его строительной стоимости.

Увеличение скорости влечет за собой увеличение потерь напора в водоводе. Как известно из гидравлики, потери напора h в напорных линиях выражаются формулой

Увеличение потерь напора увеличивает высоту подачи воды насосом Я; соответственно возрастает требуемая мощность насосной станции

_ Q(H0 + h) 102 г)

и количество энергии, затрачиваемой на подъем воды.

Таким образом, при заданном расходе подаваемой воды уменьшение расчетной скорости v ведет к увеличению затрат на строительство водовода и уменьшению эксплуатационных затрат, связанных с подъемом воды (т. е. стоимости затрачиваемой электроэнергии).

Наоборот, при больших v увеличивается стоимость расходуемой энергии и снижается стоимость строительства.

Система водоснабжения, как и всякое сооружение, должна быть запроектирована наиболее экономично. Правильный с экономической точки зрения расчет водопроводных линий должен учитывать взаимосвязь их работы с работой насосных станций и обеспечивать экономически наивыгоднейшее решение этого комплекса. Таким образом, задача определения диаметров труб водоводов и линий сети может быть разумно решена только в результате учета требований экономики Эта задача является по своему существу задачей технико-экономической. Схема решения подобных задач может быть представлена следующим образом.

В практике проектирования для определения экономически наивыгоднейших диаметров труб используют также некоторые средние значения экономически наивыгоднейших скоростей иэн. Эти скорости будут больше для больших и меньше для малых диаметров.

Далее в главе 7 будет показано, что единой экономически наивыгоднейшей скорости для всех линий одной сети установить вообще нельзя. Экономически наивыгоднейшая скорость для отдельных участков данной сети различна и зависит не только от расчетного расхода данной линии, но и от полного расхода, подаваемого в сеть, расположения данного участка в сети и от конфигурации самой сети.

Так как водопроводные трубы изготовляются определенных стандартных диаметров, практически приходится принимать в качестве экономически наивыгоднейшего диаметра стандартный диаметр, ближайший к полученному по приведенной формуле.

Для определения экономически наивыгоднейших диаметров весьма удобно пользоваться таблицами «предельных экономических расходов». Понятие предельных экономических расходов введено проф. Л. Ф. Мошниным. Под предельными экономическими расходами понимаются граничные (наибольшие и наименьшие) значения расходов, при которых данный стандартный диаметр будет более выгоден, чем другие (при данном значении экономического фактора).

В приложении I дана таблица предельных экономических расходов для чугунных водопроводных труб при значениях экономического фактора 0,5; 0,75 и 1.

При расчете сетей приходится определять диаметры участков сети, а не независимо работающих линий. Как показано в главе 7, на значение экономически наивыгоднейшего диаметра участка сети влияет не только его расчетный расход цг-\, но и общий расход Q, подаваемый в сеть насосной станцией, а также роль данного участка в работе сети.

Коэффициент Хг-k, характеризующий роль данного участка в работе сети, при приближенных расчетах может рассматриваться как \/п суммарного расхода, идущего по п параллельно включенным магистралям (в одну из которых входит рассматриваемый участок). Такой приближенный способ определения диаметров применен в примере расчета сети в § 24.

При пропуске через сеть пожарного расхода допускается повышение скоростей и потерь напора сверх экономически наивыгоднейших. Пожар продолжается в течение сравнительно небольшого времени, и работа сети во время пожара не может существенно отразиться на экономике системы.

Определение потерь напора в трубах является одной из основных элементарных расчетных операций, используемых при расчете сис­тем подачи и распределения воды. Процесс численного определения потерь напора достаточно трудоемок и поэтому весьма важно его всемерное упрощение и облегчение.

Потери напора при движении воды по трубам пропорциональны их длине и зависят от диаметра труб, расхода воды (скорости течения), характера и степени шероховатости стенок труб (т. е. от типа и материала труб) и от области гидравлического режима их работы.

Основной формулой инженерной гидравлики, связывающей все указанные характеристики, является формула Дарси — Вейсбаха:

где h – потери напора; λ – коэффициент гидравлического сопротивления; l и d – длина и диаметр трубы; v – скорость движения воды; g – ускорение свободного падения.

Для расчетов водопроводных систем практический удобнее модификация этой формулы, в которой скорость заменена расходом:

где k – коэффициент; m – показатель степени, q – расход воды.

Обе представленные формулы являются частным случаем более общей формулы, охватывающей случаи напорного и безнапорного движение в каналах и трубах:

где С – коэффициент Шези; R – гидравлический радиус; i – гидравлический уклон.

Коэффициенты имеют одинаковую природу и связаны сле­дующими соотношениями:

При работе труб в области квадратичного сопротивления зна­чения этих коэффициентов зависят только от диаметра и шерохо­ватости их. В этой области, как показали опыты, проведенные во ВНИИ ВОДГЕО (под руководством Ф. А. Шевелева), работают неновые стальные и чугунные трубы при скорости движения воды V ≥ 1,2 м/с.

При работе труб в переходной области турбулентного режима (доквадратичной области) значения зависят от диаметра и шероховатости труб, а также от числа Рейнольдса, т. е. от ско­рости (или расхода) при данном диаметре и от вязкости жидко­сти. В этой области работают неновые стальные и чугунные тру­бы при скорости V<1,2 м/с, а также новые металлические и асбестоцементные трубы при всех практически используемых ско­ростях движения воды.

При работе труб в области «гидравлически гладких» труб зна­чения указанных коэффициентов зависят от диаметра труб и числа Рейнольдса и не зависят от их шероховатости. В этой области ра­ботают пластмассовые и стеклянные трубы.

Влияние шероховатости внутренней поверхности труб на их гидравлическое сопротивление учитывается различными эмпири­ческими формулами, выведенными на основе экспериментальных данных для разных типов труб или с использованием некоторых численных характеристик шероховатости. Число различных рас­четных формул, предложенных для определения коэффициентов , весьма велико. В СССР широкое распространение получили формулы Ф. А. Шевелева.

Исходя из того, что потери напора h пропорциональны длине водопроводной линии, можно определять потерн напора на едини­цу длины безразмерной величиной — гидравлическим уклоном i = h/l и находить полные потери напора для линии любой длины: h = i·l

Ф.А. Шевелевым предложены следующие формулы для определения единичных потерь напора:

а) для неновых стальных и чугунных труб, работающих в квадратичной области при v ≥ 1,2 м/с:

б) для неновых стальных и чугунных труб, работающих в переходной области при v ≤ 1,2 м/с:

в) для асбестоцементных труб:

г) для пластмассовых труб:

Для новых металлических труб, работающих только в переход­ной области, существуют специальные расчетные формулы, однако пользоваться ими можно лишь в том случае, если есть гарантия, что в процессе эксплуатации не будут наблюдаться внутренняя кор­розия и образование отложений.

В последние годы в связи с ухудшением качества поверхност­ных вод, применением коагулянтов во многих действующих систе­мах водоснабжения наблюдаются коррозионные зарастания внут­ренних поверхностных чугунных и, особенно стальных труб. Это при­водит к увеличению гидравлического сопротивления металличес­ких трубопроводов, иногда в 2 и более раза. Для реконструируе­мых сетей и водопроводов следует предусматривать мероприятия по восстановлению и сохранению их пропускной способности. Если это технически невозможно или экономически нецелесообразно, допускается увеличивать гидравлическое сопротивление труб в соответствии с анализом его фактических значений.

В соответствии с рекомендациями СНиП, потери напора в желе­зобетонных трубах, имеющих широкое применение при строитель­стве водопроводов, разрешается определять по формулам для метал­лических труб. В действительности гидравлическое сопротивление железобетонных труб в сильной степени зависит от качества ис­ходного материала, применяемого для их изготовления, и техно­логии производства. В случае соблюдения требований, предъяв­ляемых к технологии и качеству материала, и проведения при необходимости соответствующей обработки внутренней поверхности железобетонных труб их гидравлическое сопротивление значитель­но ниже, чем определенное по формулам для металлических труб, и может приближаться к сопротивлению гидравлически гладких труб.

При проведении гидравлических и технико-экономических рас­четов (в частности, с применением ЭВМ) использование формул, содержащих двучленный сомножитель, приводит к определенным трудностям. Рядом авторов были предложены различные приближен­ные одночленные формулы вида:

аппроксимирующие приведенные выше.

В частности, для неновых металлических труб при скорости движения воды до 3 м/с М. М. Андрияшевым предложена формула

Для асбестоцементных труб Н. Н. Абрамовым получена следую­щая одночленная формула:

Выбор типа труб для строительства водоводов и сетей систем водоснабжения должен производиться с учетом всех требований к бесперебойности их работы, санитарных требований и соблюдения наибольшей экономичности и целесообразности их использования с народнохозяйственной точки зрения.

Строительные нормы и правила (СНиП) предлагают преимущественное использование труб неметаллических, в первую очередь железобетонных и асбестоцементных. Наиболее перспективным типом труб при сооружении напорных водоводов, как было сказано, являются предварительно напряженные железобетонные трубы. Эти же трубы, как показывает опыт некоторых стран, могут с успехом использоваться для магистральных линий водопроводной сети.

Для водопроводных сетей могут и должны широко применяться асбестоцементные трубы, о многих достоинствах которых сказано ранее. При тщательной укладке и применении равнопрочных стыковых соединений эти трубы обеспечивают надежную работу сети. Их можно с успехом использовать также для водоводов относительно небольших диаметров.

Выбор метода транспортирования воды и соответственно типов транспортирующих сооружений зависит от характера природного источника, степени его удаленности от объекта, местных топографических условий и количества транспортируемой воды.

Все практически используемые типы транспортирующих воду сооружений могут быть разделены на две основные группы: а) нагнетательные водоводы; б) гравитационные (или самотечные) водоводы и каналы. В сооружениях первой группы подача воды осуществляется насосами. В сооружениях второй группы движение воды происходит иод действием силы тяжести.

В некоторых случаях взаимное расположение источника и объекта водоснабжения, а также характер рельефа местности вызывают необходимость использования того или иного принципа подачи воды на отдельных участках трассы водовода.

По характеру движения воды (по характеру гидравлической работы) все транспортирующие воду сооружения могут быть разделены на напорные водоводы (работающие полным сечением) и безнапорные водоводы (имеющие свободную поверхность воды).

Безнапорные водоводы могут быть выполнены в виде открытых ка» налов, вырытых в земле, или в виде закрытых каналов (различныхконструкций и из различных материалов), работающих неполным сечением.

Использование гравитационного метода подачи воды дает большие экономические преимущества, так как позволяет значительно снизить расходы на эксплуатацию системы водоснабжения. Очевидно, что применять этот метод транспортирования воды для водовода в целом можно лишь при условии, если отметка уровня воды используемого водоема превышает отметку точки, в которую должна быть подана вода. Однако и при соблюдении этого условия наличие значительных возвышенностей по трассе водовода может потребовать подъема воды насосами для переброски ее через эти возвышенности.

Для схемы, представленной на III.64, где отметка уровня используемого водоема А значительно превышает отметку земли у объекта Б, гравитационная подача воды потребовала бы устройства весьма длинных туннелей (аа\ или аа2), сильно удорожающих строительство. Подъем воды насосами до резервуара б, установленного на наивысшей точке пересекаемой возвышенности, позволит избежать устройства туннелей. При таком решении на участке аб будут нагнетательные водоводы, а от точки б до объекта — гравитационные водоводы.

В ряде случаев удается использовать гравитационный метод подачи воды на всем протяжении трассы водовода. При этом применение безнапорных каналов возможно лишь при относительно равномерном и незначительном уклоне местности вдоль трассы водовода. В этих условиях можно обеспечить требуемый постоянный уклон безнапорного канала без устройства дорогостоящих глубоких выемок и сооружений для перехода пониженных мест.

Выбор типа и конструкции безнапорного канала определяется экономическими соображениями и местными условиями, а в известной степени и требованиями к качеству воды.

Открытые каналы представляют собой относительно дешевые (на единицу длины) сооружения для транспортирования больших количеств воды.

Для подачи питьевой воды (чистой природной или очищенной) открытые каналы не должны применяться.

Закрытые безнапорные каналы являются более дорогими сооружениями, но потери воды в них значительно меньше, они предохраняют воду от загрязнения и развития растительности и обеспечивают почти постоянную температуру воды на всем пути ее подачи от источника к объекту.

При наличии достаточной для обеспечения движения воды разности отметок в начальной и конечной точках водовода, но в условиях относительно пересеченного рельефа местности часто оказывается более рентабельным использование напорных гравитационных водоводов, т. е. водоводов, работающих полным сечением. По условиям своей гидравлической работы эти водоводы аналогичны нагнетательным водоводам, их конструкция должна обеспечить сопротивление разрывающим усилиям от внутреннего давления воды.

Так как напорные водоводы допускают практически любое изменение уклона по длине трассы, использование их часто позволяет значительно сократить общую длину водовода.

В современной практике водоснабжения местные природные источники воды часто оказываются недостаточными для удовлетворения потребностей крупных городов и промышленных предприятий (особенно в относительно маловодных местностях) и приходится использовать весьма удаленные источники, расположенные за десятки, а иногда и сотни километров от объектов. В этих условиях значение транспортирующих воду сооружений и удельный вес затрат на их строительство в общей стоимости системы водоснабжения значительно возрастают. Выбор наиболее экономичного варианта подачи воды приобретает особо важное значение. Этот выбор производится, как правило, на основе тщательного изучения местных условий (топографии и геологии по возможным трассам водовода) и технико-экономического сравнения различных вариантов.

При всех условиях транспортирующее воду сооружение должно обеспечивать надежность и бесперебойность снабжения объекта водой. Для этого необходимо, чтобы его конструкция сводила к минимуму опасность возникновения аварий. Длинные водоводы, как правило, прокладывают в одну линию. Поэтому в конце водовода должны быть устроены запасные емкости такого объема, который может обеспечить питание объекта водой во время ликвидации аварии или проведения ремонта.

При относительно малой длине водовода требуемая надежность водообеспечения потребителей может быть достигнута с меньшими затратами путем строительства его из двух параллельно работающих линий (вместо устройства запасных емкостей). В ряде случаев наличие двух или нескольких параллельно работающих линий водовода является следствием постепенного развития системы водоснабжения в соответствии с ростом водопотребления объекта.

Практика транспортирования воды дает примеры широкого использования всех перечисленных здесь типов сооружений.

Для обеспечения водой промышленности и населенных мест центрального района Донбасса построен открытый водопроводный канал, забирающий воду из р. Северский Донец. Канал имеет длину 132 км и рассчитан на подачу расхода 25 м3/с. Рельеф местности вызвал необходимость устройства на канале четырех насосных станций, поднимающих воду на общую высоту около 250 м. Вода, забираемая из канала для городских водопроводов, подвергается соответствующей очистке.

В 1961 г. закончено строительство другого крупного открытого водопроводного канала, подающего воду из р. Днепр (от Каховского водохранилища) для нужд промышленности и населения Криворожья. Канал протяжением 57 км рассчитан на подачу расхода до 41 м3/с.

Еще более мощный водопроводный открытый канал построен для подачи воды из р. Иртыш в центр Карагандинского района. Его общая протяженность около 500 км и расчетный расход около 75 м3/с. На канале устроен ряд перекачивающих насосных станций и ряд водохранилищ.

Как уже было-сказано, современная система водоснабжения Москвы включает канал им. Москвы (длиной 128 км), который служит одновременно для нужд судоходства и для подачи воды из р. Волги. Канал этот подает воду в подмосковные водохранилища, откуда она по специальным водопроводным открытым каналам поступает к очистным станциям.

Примером весьма большого безнапорного закрытого канала может служить Баку-Шолларский водовод, пущенный в эксплуатацию в 1917 г. Водовод использует воды Шолларских родников. Общая его протяженность от источника до городских резервуаров 185 км. Из них первые 147 км выполнены в виде закрытого безнапорного бетонного канала овоидального сечения (1,2X1.7 м). Далее вода подается насосами по нагнетательному водоводу длиной 18 км в распределительную камеру и по самотечным бетонным водоводам (длиной 20 км) подводится к городским резервуарам.

В 1951 г. был введен в эксплуатацию второй бакинский безнапорный закрытый водовод, идущий почти параллельно первому и подающий подземные воды из района Хачмас.

В качестве примера широкого использования безнапорных закрытых каналов для городского водоснабжения в зарубежной практике может служить система самотечных водоводов Парижа (протяженность каждого 100—130 км), подающих подземные воды из различных районов.

Развитие технологии производства напорных труб обусловливает все более широкое применение напорных гравитационных водоводов. Подобные водоводы значительной протяженности использованы при строительстве ряда крупных систем водоснабжения у нас и за рубежом.